MCLP 02 Conceitos Básicos

Microcontroladores e CLPs

Engenharia da Computação

Conceitos Básicos

Edna Mie Kanazawa

ekanazawa@gmail.com

Conteúdo Programático

•

Teoria

– Fundamentos e arquitetura interna do

microcontrolador núcleo 8051. Utilização dos registradores de dados, registradores de

endereços (internos e externos) e flags.

– Estudo do Sistema de Memória. Espaços de endereçamento. Banco de Registradores especiais.

– Estudo dos Modos de Endereçamento. Conjunto de Instruções e Registradores de Funções

•

Teoria

– Instruções de transferência, lógicas, booleanas e aritméticas. Instruções de saltos condicionais e incondicionais. Algoritmos especiais para

operações aritméticas. Exercícios com estruturas de repetição.

– Utilização de Sub-rotinas e da Pilha.

– Análise da funcionalidade das Portas de entrada e saída paralelas. Aplicações com Portas de E/S.

•

Teoria

– Timers/Contadores e interface serial.

– Tratamento de Interrupção, modos e tipos. Aplicações usando Interrupções.

– Sistemas a reles e lógica de intertravamento. Controle sequencial com lógica de

intertravamento.

– Automação de Processos Industriais: aspectos da programação dos controladores programáveis.

•

Teoria

– Fundamentos de Linguagem C para microcontroladores.

– Análise de aplicabilidade das estruturas de seleção e repetição.

– Funcionalidade dos tipos de dados.

Implementação de funções com atendimento a interrupções.

•

Prática

– Análise do tutorial Instalador para simulador RIDE_8051

– Estudo da arquitetura interna do

microcontrolador 8051 (registradores disponíveis) e dos modos de endereçamento, utilizando o

software RIDE.

– Exercício sobre instruções aritméticas utilizando o

software RIDE.

– Exercício sobre instruções lógicas e de desvio utilizando o software RIDE.

•

Prática

– Exercício sobre instruções booleanas e uso de sub rotina, utilizando o software RIDE.

– Exercício sobre manipulação de dados em

memória (interna e externa), utilizando o software RIDE.

– Utilização do kit didático Datapool ativando as portas de entrada/saída com chave e led.

– Utilização do kit Datapool utilizando o teclado e as rotinas disponíveis no firmware.

•

Prática

– Implementação de uma calculadora simples de 4 bits.

– Utilização do kit Datapool para implementação de contador decimal up-down de 8 bits por software (00 a 99 e 99 a 00) usando barra de leds.

– Utilização do kit Datapool para implementação de contador decimal up-down de 4 bits por hardware (0 a 9 e 9 a 0) usando CI 4518, decoder 9368 e

•

Prática

– Utilização do kit Datapool para implementação de

Timer de um segundo.

– Utilização do kit Datapool para comunicação serial com padronização RS232.

– Programação em Linguagem C para simulador RIDE_8051.

– Implementação de contador hexadecimal de 8 bits.

Bibliografia Básica

• ZELENOVSKY, R.; MENDONÇA, A. Programação e

projeto com a família 8051. MZ, 2005, ISBN:

85-87385-12-7

• NICOLOSI, D. E. C. Microcontrolador 8051 detalhado. Érica, 2000. ISBN 85-7194-721-X.

• NICOLOSI, D. E. C.; BRONZERI, R. B. Microcontrolador

8051 com linguagem C. Érica, 2005. ISBN:

Bibliografia Complementar

2002, ISBN 85-7194-871-2.

• GIMENEZ, S. P. Microcontroladores 8051. Prentice-Hall do Brasil, 2005, ISBN: 8587918281

• CARNEIRO, K. P. M.; MOKARZEL, M. P. Internet embedded para

microcontroladores. Érica, 2004, ISBN: 85-365-0042-5

• PRUDENTE, F. Automação industrial - PLC: teoria e aplicações. LTC, 2007. • STALLINGS, W. Arquitetura e organização de computadores. Editora

Prentice Hall, 2002.

Conceitos Básicos

•

Bit – Abreviação de Dígito Binário em Inglês

(BInary digiT), que corresponde ao valor zero

(0) lógico ou ao valor um (1) lógico.

•

_{Byte – Representação numérica composta de}

8 Bits. Pode representar números de 00h (0) a

FFh (255).

•

Informação Binária – conjunto formado por 1

ou mais Bytes.

•

Notação Hexadecimal - Notação para números

binários que utilizam 16 dígitos (0 a 9,

A,B,C,D,E,F) para representar um número

binário de 4 Bits. Assim, as 16 combinações

possíveis de 4 Bits são escritas com os dígitos

hexadecimais.

•

_{Uma letra h é usada para denotar que o}

número escrito está em hexadecimal (Ex: 00h ,

3Fh)

• Registrador – conjunto de Flip-flops, geralmente do tipo D, que são interligados em paralelo. São responsáveis pelo armazenamento de uma informação binária.

• Dependendo do número de Flip-flops interligados, podem armazenar – 8 Bits (= 1 Byte), – 16 Bits (= 2 Bytes), – 32 Bits (= 4 Bytes), – 64 Bits (= 8Bytes) ou – 128 Bits (= 16 Bytes).

• Os registradores são memórias voláteis, ou seja, quando desenergizados perdem seu conteúdo.

•

Memória – local de armazenamento de

Informações Binárias.

•

Pode ser formada por circuitos

semicondutores, mídias magnéticas, mídias

ópticas, etc...

•

_{De certa forma, um Registrador pode ser}

considerado uma memória que armazena

apenas uma informação binária por vez.

•

Computador – Unidade de processamento

que executa Instruções de um programa para

realizar alguma tarefa.

•

Instrução – define uma única ação que um

computador pode executar por vez.

•

As ações das instruções podem ser:

– leitura ou escrita de uma informação binária na memória,

– leitura ou escrita de uma informação binária em um registrador,

– operações lógicas entre informações binárias,

– operações aritméticas entre informações binárias, etc...

•

Programa – conjunto de Instruções arranjadas

de maneira organizada por um programador

com o objetivo de informar ao Computador

qual a tarefa que o mesmo deverá executar.

•

Os Programas, em geral, são armazenados na

•

Software – são os programas que são

carregados na memória do Computador para

serem executados (Ex: Windows, Office, C++,

Netscape, etc...).

•

Firmware – são os programas que já estão

previamente armazenados em uma memória

não volátil (ROM/PROM/EPROM/Flash) e que

permitem a operação fundamental de um

computador, inclusive a carga de Programas

(Software) na memória para serem

•

Hardware – são as partes eletrônicas,

eletro-mecânicas e ópticas de um computador.

• Microprocessador

– Circuito integrado (“chip”) capaz de executar instruções. – 1971 - Intel Corporation lançou no mercado o

microprocessador 4004 (3.000 transistores )

– O microprocessador é um dispositivo lógico programável em um único chip de silício, concebido sob a tecnologia VLSI (circuito integrado em alta escala).

– Age sob o controle de um programa armazenado em memória, executando operações aritméticas, lógica

booleana, tomadas de decisão, além de entrada e saída de dados, permitindo a comunicação com outros dispositivos periféricos.

•

Microprocessador

– Geralmente implementado em um único componente.

• unidade central de processamento – CPU; – Máquina seqüencial de uso geral, cujo

comportamento no tempo é determinado por um programa externo colocado em memória.

– Associado a CI’s periféricos, ele pode gerar: • microcomputadores e controles lógicos de uso

específicos

•

Unidades básicas de um Microprocessador:

– Unidade Lógica Aritmética (ULA) - responsável pela realização das operações lógicas e

aritméticas.

– Unidade de Controle (UC) - responsável pela decodificação e execução das instruções,

fornecendo os sinais de temporização adequados para as diversas partes do processador e do

próprio computador.

– Registradores - armazenamento da Informação Binária (dados, endereços e instruções).

•

Microcomputador

– Computador digital com velocidade e recursos limitados, e tipicamente é constituído por:

• unidade central de processamento – CPU; • memória;

• Circuitos de entrada entrada e saída saída.

– Suas aplicações são também limitadas quando comparadas às de um computador de maior porte.

•

Microcontroladores

– Possuem em um único componente:

• a unidade central de processamento • memória (ROM e RAM);

• periféricos dedicados (serial, paralela, timer, etc...). – Os microcontroladores apresentam:

• menor desempenho que os microprocessadores, • custo muito baixo (alguns dólares tipicamente),

• destinados a aplicações onde as dimensões, custo, tamanho e consumo do produto são muito

•

Tipos de microprocessadores por principais

áreas de atuação

*

verdade uma grande sub-área dos sistemas embarcados. Microprocessadores Sistemas computacionais de propósito geral

Microcontroladores Sistemas embarcados

• Na realidade os limites de aplicabilidade destes três componentes não são tão bem definidas como

mostra o quadro. Por exemplo:

– O projeto de um sistema embarcado que exija um complexo

tratamento matemático, mesmo que não envolva o processamento digital de sinais, pode ser melhor resolvido com um DSP do que com um microcontrolador.

– Em contrapartida, o projeto de um sistema de controle digital, mesmo envolvendo o processamento digital de sinais, sem grandes exigências de cálculo, pode ser melhor resolvido, com custos bem mais

Programação

•

Consiste na tradução do pensamento lógico

necessário para o cumprimento de

determinada tarefa, em uma sequencia de

comandos que podem ser interpretados e

executados por uma máquina

Procedimentos genéricos

• Exposição do problema – descrição do problema

• Análise da solução – elaboração das soluções, que melhor resolvem o problema

• Codificação da solução – descição sequencial passo a passo da solução, ou seja, desenvolver o algoritmo da solução

• Tradução do código – traduzir o algoritmo para um linguagem de programação

• Depuração (Debug) – processo de verificação e teste do

programa de forma a localizar e solucionar todas as eventuais falhas e erros de codificação que podem ocorrer nos

Artifícios para programação

•

Módulo ou função

•

_Loops

Tradução

• Interpretadores

– São aquelas que a tradução da linguagem é feita em tempo real, durante a execução do programa.

– São lentas, pois a tradução ocorre a cada linha do programa – Exemplos: Basic, Java, Java Script, etc

• Compiladores

– São aquelas em que o processo de tradução (compilação) é feito

previamente e o código gerado pelo compilador (código de máquina) pode se carregado na memória e executado diretamente por ele.

Fluxograma

• Para a documentação lógica de um Programa em

Assembly utiliza-se um Fluxograma ou Diagrama de

Blocos.

• Cada bloco do Fluxograma equivale a um

sub-conjunto do Instruction Set do Microprocessador. • O Fluxograma é uma forma de se implementar

logicamente um programa, antes que o mesmo seja codificado na Linguagem Assembly do

• Linhas de Fluxo do Programa

– Mostram a seqüência de execução das Instruções.

– Cada Bloco do Fluxograma possui apenas uma linha de Fluxo de Entrada e uma ou duas de saída

• Bloco de Processo

– Equivalem às Instruções que realizam alguma operação do tipo:

• Movimento de Dados • Operação Aritmética • Operação Lógica

•

Bloco de Decisão

– Equivale às Instruções que decidem sobre o Fluxo do Programa.

– Se a função dentro do bloco for Verdadeira(V) o programa

continua abaixo, se for Falsa(F) o programa muda o fluxo.

•

Processo Pré-definido

– Equivale às Instruções que mandam executar uma Sub-rotina

armazenada em outro lugar da Memória.

– Observe que quando a sub-rotina termina, o fluxo do programa

•

Bloco de Início de Programa

– O Bloco de Início de Programa não equivale a uma Instrução específica do Instruction SET.

•

_{Bloco de Fim de Programa}

– O Bloco de FIM equivale a uma instrução que termina o

Programa. É chamado de FIM

Exemplo de Fluxograma de um

Programa de Microprocessador

•

O programa deve Ler

um Dado da

memória, verificar se

é igual a zero. Se não

for zero, continua em

LOOP. Se for zero

•

Desenvolva um fluxograma para solução de

um problema simples: somar dois números (A

e B) e armazenar o resultado em C.

•

_{Desenvolva um fluxograma para solução de}

um problema simples: contar de 0 a 10.

Respostas

•

1)

•

2)

Algebra booleana

• Proposições

– Afirmação verbal passível de ser classificada como verdadeira ou falsa

• Hoje é segunda feira? (proposição)

• Que dia é hoje? (não é uma proposição)

• Operadores lógicos relacionais

– E (conjunção) – a conjunção de 2 ou mais proposições será verdadeira somente se todas forem verdadeiras

– OU (disjunção) – a disjunção de 2 ou mais proposições será verdadeira se qualquer das proposições for verdadeira.

– NÃO – utilizado para negar uma determinada proposição, atribuindo sentido contrário a proposição inicial

Variáveis e dados

•

Variável

– Representação simbólica para elementos pertencentes a um determinado conjunto

– Armazenadas em memória da máquina (RAM) e

podem assumir qualquer valor dentre o conjunto de valores possíveis

– Podem ser:

• Numéricas – inteiras, reais ou ponto flutuante • caractere

• alfanuméricas • lógicas

Operadores

•

São elementos ou simbolos gráficos utilizados

para relacionar ou modificar um ou mais

dados ou variáveis

– Matemáticos – adição, subtração, etc – Relacionais – maior, menor, igual

– Lógicos – E, OU e Não

– Lógicos bit a bit – E, OU, Não, rotação de bit – Memória - =, &, *

Exercícios

•

Nas equações booleanas seguintes, quais

valores de A, B e C tornam R verdadeira?

– R=(A e B e C) • A=V, B=F, C=V • A=F, B=F, C=F • A=F, B=V, C=V • A=V, B=V, C=V

– R=((A e (não B)) ou C) • A=F, B=F, C=F

• A=F, B=F, C=V • A=F, B=V, C=F • A=V, B=F, C=F

– R=((não A) ou (não B) ou (não C)) • A=V, B=V, C=V

• A=F, B=F, C=F • A=V, B=F, C=F • A=V, B=V, C=F

– R=(A ou B) e (não C) • A=V, B=F, C=V

• A=F, B=F, C=V • A=F, B=V, C=F • A=V, B=V, C=F

• Supondo a afirmação: se não estiver chovendo e eu sair mais cedo do trabalho, iremos a praia. E

considerando A=Está chovendo? B=Eu sai mais cedo do trabalho? E C a resposta: Iremos a praia,

determine a equação booleana que descreve corretamente a afirmação inicial:

– A e B = C – A ou B = C – A e não B = C – Não A e B = C

•

Qual o tipo de variável necessário para

armazenar cada um dos seguintes dados?

– 150 – “Linguagem C” – 100,1 – 250 – “123” – V – -5 – F